台灣環境噪訊中的高階模態雷利波時空特性：來自多分量干涉法的觀察
廖峻甫1、陳映年2
1國立臺灣大學地質學系
2國立中正大學地球與環境科學系
噪訊干涉技術己被廣泛用於解析地下構造，而台灣噪訊速度構造成像多建立在基態表面波的基礎上(例如：Y.-C. Huang et al., 2010; T.-Y. Huang et al., 2015; Liu et al., 2021)。為了探索高階模態噪訊表面波應用在台灣速度構造研究的可能性，本研究分析 2018 – 2022 年間台灣島內超過300座地震站的連續記錄，以獲取高階噪訊的時空特性。
首先，我們透過多分量噪訊干涉法，將干涉波形分離出基態(F0)與第一高階模態(H1)的雷利波訊號(圖一)，並發現其能量主要集中在 0.2 – 0.5 Hz 的短週期次生微震(Short Period Secondary Microseisms)。接著，藉由觀察干涉波形的強度變化，我們發現這兩種模態的噪訊強度變化與台灣周遭的海浪高度密切相關，顯示東北季風為主要能量來源(圖二a)。此外，在干涉波形的強度非對稱性的分析中，我們發現來自台灣西側淺水區域的能量明顯強於東側深水區域，顯示水深與噪訊激發強度具有相關性(圖二b)。最後，我們將干涉波形中的模態能量比值作為指標，發現在台灣西部沉積層較厚的區域(例如西部沿海平原與北港高區)，噪訊組成以高階模態雷利波為主(圖二c)，向東進到麓山帶之後則以基態雷利波為主。台灣人口與經濟行為多集中在西部平原，未來若能進一步加入高階模態進行速度構造研究，將可提升地震波波傳模擬的準確性，為地震災害風險評估提供更可靠的依據。
圖一、台灣地區的地形、測站分布與代表性模態質點運動觀察。(a)本研究所使用的地震測站(寬頻BB、短週期SP、與力平衡加速度計FBA)分布圖，並以 C094–C025 為示範測站對進行模態分析。圖中圓形、方形與三角形分別代表三種不同類型的地震儀器位置，其中黃色與黑色實心三角形標示 C094 與 C025 測站位置。(b)測站對C094–C025多分量交互相關函數濾波至0.5 Hz之波形，並針對主要訊號設定長度為兩個週期(4秒)的時間窗進行質點運動分析。基態(F0)顯示逆時針橢圓軌跡(實線框)，而第一高階模態(H1)顯示順時針橢圓(虛線框)，顯示質點運動為區分兩模態之主要特徵。(圖擷取自 Liao & Chen, 2025，圖 2)
圖二、雷利波能量之時間與空間變化特徵。(a)干涉波形振幅之月平均強度變化(F0 為藍色實線，H1 為紅色虛線)。不同模態呈現一致的季節性變化，且與台灣周遭的平均海浪高度與風速強度呈現正相關。所使用的海象資料來自台灣商港(Ports，位置參見圖一[a])。(b)干涉波形振幅不對稱性(Amplitude Asymmetry, AA)於空間上的分布，紅色表示來自西邊噪訊強，反之則標示為藍色。結果顯示台灣噪訊之能量，不論是F0或H1，都主要來自於西邊水淺的環境。(c)呈現F0與H1兩模態之能量比值(Energy Ratio, ER)於空間上的變化。ER > 1 表示 F0 主導(藍色)，ER < -1 表示 H1 主導(紅色)，而 ER 介於二者之間則以深綠或淺綠顯示。結果顯示噪訊模態在空間上分布特性與地質構造有關。在西部平原以沈積為主的環境中以高階模態為主(淺綠色與紅色，西部平原WCP、北港高區PBH)，而進入麓山帶(WF)則轉變為以基態為主。(圖改編自 Liao & Chen, 2025，圖 3–5)
參考文獻
Huang, T.-Y., Gung, Y., Kuo, B.-Y., Chiao, L.-Y., & Chen, Y.-N. (2015). Layered deformation in the Taiwan orogen. Science, 349(6249), 720–723. https://doi.org/10.1126/science.aab1879
Huang, Y.-C., Yao, H., Huang, B.-S., van der Hilst, R. D., Wen, K.-L., Huang, W.-G., & Chen, C.-H. (2010). Phase Velocity Variation at Periods of 0.5-3 Seconds in the Taipei Basin of Taiwan from Correlation of Ambient Seismic Noise. Bulletin of the Seismological Society of America, 100(5A), 2250–2263. https://doi.org/10.1785/0120090319
Liao, C.-F., & Chen, Y.-N. (2025). Characteristics of Higher-Mode Ambient Noise Rayleigh Waves in Taiwan: Insights from Multicomponent Interferometry. Seismological Research Letters. https://doi.org/10.1785/0220240192
Liu, C.-N., Lin, F.-C., Huang, H.-H., Wang, Y., Berg, E. M., & Lin, C.-H. (2021). High‐Resolution 3‐D Shear Wave Velocity Model of Northern Taiwan via Bayesian Joint Inversion of Rayleigh Wave Ellipticity and Phase Velocity With Formosa Array. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126(5), e2020JB021610. https://doi.org/10.1029/2020jb021610